鏈路預算在無人衛星通信系統設計中的應用現狀分析

王立輝

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

1 鏈路預算相關概述

1.1 鏈路預算的定義

鏈路預算指在通信系統設計過程中對通信鏈路所需的資源進行合理分配和優化的一種方法。其可以估計和計算通信鏈路所需的功率、帶寬、信噪比以及誤碼率等參數，并在資源限制的前提下，進行系統性能分析和優化[1]。

1.2 鏈路預算的注意事項

解調門限是鏈路預算中的重要參數之一，表示接收器能夠正確解調信號的最低信號強度。進行鏈路預算時，需要根據具體規劃地區的場景，采用鏈路級仿真或實際設備測試的方法來獲取解調門限的準確值，更準確地評估系統的性能和覆蓋范圍。

根據上行/下行鏈路的覆蓋能力，一般由上行/下行鏈路來確定5G 系統的覆蓋范圍。3G 受移動終端傳輸功率的限制，其上行鏈路的覆蓋面積遠小于下行鏈路的覆蓋面積。與3G 相比，全球微波接入互操作性（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）將子信道化技術應用于上行鏈路，劃分信道，擴大了系統的覆蓋范圍，從而彌補了上行鏈路覆蓋的不足[2]。

根據不同服務的覆蓋能力，無論是在人口稠密的城市，還是在普通城市，運營商一般以電路交換（Circuit Switched，CS）64 kb/s 服務作為連續覆蓋的目標服務。由于CS64 kb/s 的業務對覆蓋范圍、信號質量等有很高的要求，網絡規劃時應以覆蓋能力為重點。

2 衛星通信系統組成概述

衛星通信網構成了一張完整的通信網，實現了全球通信的全覆蓋。它主要由空間部分、地面部分和用戶部分構成，構成了一個完整的通信網，具有通信覆蓋區域廣泛、靈活性高、較大的通信帶寬和通信容量等特點，能夠滿足用戶多樣化的通信需求。

空間段在衛星通信系統中起著至關重要的作用。它由地球同步軌道衛星和中低軌道衛星組成，起到中繼通信的作用，為網絡用戶提供通信服務。地球靜止軌道衛星通常位于地球上空的靜止軌道，其高度約為3.6×104km，可以實現全球范圍的通信覆蓋。中、低軌道衛星則位于較低的軌道，高度一般在1 000 km以下，可以提供更低的延遲和更大的帶寬[3]。

地面段是衛星通信系統的控制和管理中心，通常包括信關站、網絡控制中心和衛星控制中心。信關站是衛星通信系統中的中繼站點，用于接收和轉發衛星上的信號。網絡控制中心負責管理和控制整個衛星通信網絡，包括路由控制、資源分配和故障處理等。衛星控制中心則負責衛星的軌道控制、姿態控制和通信參數的調整。

用戶段由通信連接的各種用戶終端構成。用戶終端機包括手持式終端機、車載終端機和船載終端機等。這些終端可以是移動，也可以固定安裝。用戶終端通過衛星通信系統與地面段和其他用戶進行通信連接，實現語音、數據和視頻等多種通信服務。

3 無人衛星通信系統設計發展現狀

3.1 實施多個衛星計劃

在空間基礎設施、天地一體化信息網絡等重點項目建設，以及國內商業航天產業蓬勃發展等因素的共同推動下，國內低軌衛星通信系統正處于快速發展階段。目前，由各類企業和高校提出多達10 個以上的星座建設計劃[4]。其中，“虹云”星座和“鴻雁”星座已經成功完成了試驗星的空中試驗。同時，中國電子科技集團有限公司“天象”試驗1 星、2 星也在2019 年成功發射，進一步豐富了衛星隊列。此外，由民營企業主導的衛星組網計劃中，“天啟”星座已成功發射了5 顆組網星，并且其天啟衛星物聯網系統已正式上線，是我國民營航天事業的一次重要突破，也為我國的物聯網發展開辟了新的通道。

3.2 無人衛星通信技術不斷突破

在步入信息社會的同時，移動通信技術也以驚人的速度從1G 向5G 進行突破，在此期間，催生了很多新興技術。5G 作為最新一代蜂窩移動通信技術，并不是獨立的、全新的無線接入技術，而是對現有無線接入技術的技術演進和一些新增的補充性無線接入技術集成后解決方案的總稱，為無人衛星通信技術的發展提供了新的動力和可能性。而衛星互聯網作為一種基于衛星通信的互聯網，通過發射特定數量的衛星形成規模組網，向地面和空中終端提供寬帶互聯網接入等通信服務，實現全球互聯網無縫鏈接服務，無論是地理位置偏遠，還是環境條件困難，都能保證高效穩定的通信[5]。最為通用的是低軌衛星，其核心應用場景包括偏遠地區通信、海洋作業和科考寬帶、航空寬帶以及災難應急通信等。因此，低軌衛星系統對通信質量和穩定性有著極高的要求，無人衛星通信技術恰恰能夠滿足這些需求，有著巨大的潛力和價值。

3.3 萬物互聯

隨著信息技術的飛速發展，對帶寬的需求也在持續增長。為滿足寬帶接入、基站中繼、高清/超高清視頻等應用帶來的帶寬增長需求，基于多點波束和頻分復用的高通量衛星（High Throughput Satellite，HTS）應運而生。2004 年以來，全球超過半數的衛星通信運營商合計部署了150 多顆高通量衛星。其中，包括地球同步轉移軌道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）、中地球軌道（Middle Earth Orbit，MEO）、低地（球）軌道（Low Earth Orbit，LEO）等形式的衛星。這種“高—中—低”軌道的融合發展，體現了空間通信網絡的多元化和靈活性。同時，隨著通信技術的快速迭代發展，特別是5G 建設的推進以及包括遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等物聯網通信標準的出臺，萬物互聯已經具備了產業技術基礎。另外，隨著人工智能、云計算、大數據以及邊緣計算等技術的同步發展，物聯網作為數據的收集、環境的感知以及控制的執行端，其應用場景持續拓寬。

3.4 產業生態圈與產業鏈內循環發展

隨著互聯網、航天技術的飛速發展，高通量衛星（High Throughput Satellite，HTS）、非地球靜止衛星軌道（Non Geostationary Satellite Orbit，NGSO）、靈活性載荷、中繼通信、在軌服務以及量子保密通信等技術創新，將衛星互聯網推向一個全新的發展階段。該背景下，地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）的HTS 正向大容量、微型化方向發展，一些運營商已開始布局全球衛星，以提升其全球服務能力。在LEO 衛星方面，OneWeb 和Space-Spaces 同時在全球范圍內進行部署，以增強衛星服務的能力。同時，O3b 不斷擴大MEO 星座的規模與服務容量。此外，ViaSat 公司探索MEO 與GEO 間的中繼通信，并進行協同開發。Q/V 波段、激光在衛星通信領域已進入實用化階段，太赫茲（THz）技術在衛星通信、天地一體化通信等領域具有廣闊的應用前景。低軌衛星的蓬勃發展，給衛星制造與發射產業帶來了變革與產業升級。衛星互聯網和5G技術的融合也取得了顯著進展，主要應用在內容投遞，寬帶接入，基站中繼，移動平臺等方面。跨平臺跨網電調板天線的研究方興未艾，但其成本有待進一步降低。衛星通信、衛星導航、自動關聯廣播及自動識別系統等綜合應用越來越廣泛。

4 鏈路預算在無人衛星通信系統設計中的應用策略

4.1 了解通信系統的性能

通過鏈路預算，可以預測和理解整個通信系統的運行狀態和性能表現。具體來說，鏈路預算可以揭示系統的潛在問題，幫助工作人員作出必要的調整，從而確保通信系統能夠在各種環境條件下可靠地開展工作。首先，通過鏈路預算，可以預測信號在傳播路徑中的傳輸損耗、噪聲和干擾等因素。通過對這些因素參數的分析，可以評估鏈路的信號質量，包括信噪比、誤碼率等指標，有助于工作人員預測通信系統的性能表現，并在設計階段進行必要的優化。其次，鏈路預算可以幫助優化通信系統中的資源分配。通過調整鏈路預算中的參數，如功率、頻譜和帶寬等，可以優化資源的利用，提高通信系統的性能和效率。例如，在無人衛星通信系統中，可以根據鏈路預算的結果，調整衛星的功率分配，以提高系統的覆蓋范圍和傳輸速率。最后，鏈路預算可以用于驗證通信系統的設計方案。根據鏈路預算計算得出的結果，與實際的傳輸性能相比，可以評估設計方案的合理性和可行性。如果鏈路預算的結果與實際情況不符，就需要調整和改進系統，以確保系統能夠如預期地進行工作。

4.2 確定最佳配置和接口電平

鏈路預算不僅可以評估通信系統的性能，還可以幫助確定地球站或衛星資源的最佳配置。通過鏈路預算的計算和分析，工程師可以在眾多可能的配置方案中找到最能滿足性能需求和成本效益的方案。同時，鏈路預算可以為系統設計人員提供決策支持，幫助他們選擇合適的設備數量、位置和參數設置，從而構建出具有優化性能的無人衛星通信系統。具體來說，通過鏈路預算的計算，工程師可以評估不同配置方案下的信號傳輸質量、覆蓋范圍和傳輸速率等關鍵性能指標。他們可以通過調整衛星的數量、位置和天線參數等來優化鏈路預算的結果，以滿足系統的性能要求。例如，某無人衛星通信系統設計團隊使用鏈路預算技術來評估不同地球站和衛星資源配置方案的性能。通過計算和分析，發現增加地球站的數量和改變衛星的位置可以顯著擴大系統的覆蓋范圍和提高系統傳輸速率。基于鏈路預算的結果，最終確定了最佳配置方案，使得系統能夠在廣泛的區域內提供穩定和高效的通信服務。此外，鏈路預算可以用于確定地球站各設備之間的最佳接口電平。接口電平的選擇將直接影響設備的工作效率和系統的整體性能。通過鏈路預算的計算和分析，工程師可以在保證設備工作效率的同時最大限度地提高系統性能的接口電平。

4.3 了解系統的設計性能是否滿足要求

系統鏈路設計是整個衛星通信系統設計的核心之一。通過鏈路預算的計算和分析，可以了解整個系統的設計性能是否滿足要求，并對整個衛星移動通信系統及其設備的技術指標的選取具有指導意義。首先，鏈路預算可以通過計算和分析，評估衛星通信系統的性能表現。通過預測信號傳播路徑中的傳輸損耗、干擾、噪聲等因素，可以了解系統的通信質量和可靠性。通過鏈路預算的結果，可以評估系統的傳輸速率、覆蓋范圍和誤碼率等關鍵性能指標，以確保系統能夠滿足用戶的通信需求。其次，鏈路預算可以用于驗證通信系統的設計方案。通過與實際的傳輸性能相比，可以評估設計方案的合理性和可行性。如果鏈路預算的結果與實際情況不符，就需要調整和改進系統，以確保系統能夠如預期地工作。通過鏈路預算的驗證，可以提高系統的設計可靠性和穩定性。最后，鏈路預算可以為設備的選取提供指導。通過鏈路預算的計算和分析，可以了解不同設備參數對系統性能的影響。例如，在選擇天線時，可以通過鏈路預算來評估不同天線增益對系統的覆蓋范圍和傳輸速率的影響。通過鏈路預算的指導，可以選擇合適的設備和參數，以優化系統的性能和效率。

4.4 衛星通信與產業鏈生態深度融合

產業生態深度融合已成為信息時代衛星通信發展的一個重要趨勢。高、中、低軌道衛星分別承擔著天地一體化信息網絡的功能，尤其是非地球靜止軌道星座的大規模部署，是該領域的重要發展方向。衛星互聯網業務的發展離不開邊緣計算、衛星多播、內容緩存等前沿技術支撐，應將鏈路預算技術應用在此過程，在資源限制的前提下，對通信鏈路所需的資源進行合理分配和優化。同時，為提高通信系統的能效比，要適應不斷變化的市場需求，開發數字載荷與軟件定義技術。此外，隨著NGSO 星座的大規模部署，衛星間的頻率沖突、干擾等問題日益突出，沖突風險日益增加，迫切需要統籌規劃星地資源，探索高效率的頻率復用技術，同時加強人工智能在干擾檢測、軌道預測、碰撞規避等方面的應用，為衛星通信產業提供更廣闊的發展空間，促進產業鏈生態的深度融合。

5 結 論

通過鏈路預算，可以評估和優化通信系統的性能，確定最佳配置和接口電平，并了解系統設計的符合性。無論是了解通信系統的性能、確定最佳配置，還是檢查系統的設計性能是否符合要求，鏈路預算都是不可或缺的工具。另外，通過合理應用鏈路預算等技術手段，可以進一步優化衛星通信系統的設計，提高通信質量和性能，為用戶提供更加穩定和可靠的通信服務。